Advanced Science: 基于微流控芯片的單細(xì)胞遷移研究

腫瘤轉(zhuǎn)移是惡性腫瘤的基本生物學(xué)特征，也是引起患者死亡和導(dǎo)致惡性腫瘤難以治愈的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段（例如劃痕實(shí)驗(yàn)和Transwell實(shí)驗(yàn)）可以對(duì)群體細(xì)胞的遷移能力進(jìn)行平均評(píng)估來(lái)評(píng)估細(xì)胞的轉(zhuǎn)移惡性，但是任何組織培養(yǎng)或細(xì)胞培養(yǎng)中細(xì)胞間的差異是其生物狀態(tài)和功能的基本特征，越來(lái)越多科學(xué)家認(rèn)識(shí)到所謂“平均”狀態(tài)下的細(xì)胞生物學(xué)并不能滿足功能和機(jī)制研究的需要，這些方法往往掩蓋了細(xì)胞間的差異性，阻礙我們?cè)谀[瘤轉(zhuǎn)移上理解生物個(gè)體的復(fù)雜性和異質(zhì)性。

興起于上世紀(jì)90年代的微流控技術(shù)(Microfluidic)，依托于先進(jìn)的微結(jié)構(gòu)加工工藝，可以在細(xì)胞尺度（5-20μm）上對(duì)細(xì)胞進(jìn)行特定的排列、富集、分離及捕獲。因微流控技術(shù)在單細(xì)胞操控方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，研究人員已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出多種單細(xì)胞捕獲微流控器件，可進(jìn)行不同的單細(xì)胞研究。另外，隨著單細(xì)胞研究的不斷深入，對(duì)微流控芯片的單細(xì)胞研究也提出了新的需求，其中最緊迫的即是單細(xì)胞回收功能，該手段結(jié)合目前日益進(jìn)步的單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)，可以極大的拓展生命科學(xué)研究的深度。

近日，Advanced Science 在線發(fā)表了中山大學(xué)藥學(xué)院張?jiān)獞c教授課題組關(guān)于微流控芯片用于單細(xì)胞遷移研究的工作。該工作的突出亮點(diǎn)在于設(shè)計(jì)了一種基于細(xì)胞遷移能力的單細(xì)胞可回收式的微流控芯片（SCM-chip），可同時(shí)實(shí)現(xiàn)96個(gè)細(xì)胞在獨(dú)立的微環(huán)境下進(jìn)行單細(xì)胞遷移。論文的第一作者為中山大學(xué)藥學(xué)院博士研究生莊嘉瑯，論文通訊作者為中山大學(xué)藥學(xué)院張?jiān)獞c教授。研究工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金（81601571、81771932、21705167）、廣東省自然科學(xué)基金（2017A030306016）和中央高?；究蒲袑ｍ?xiàng)資金等項(xiàng)目的資助。

研究?jī)?nèi)容

在本工作中，我們?cè)O(shè)計(jì)并制作了一種新型微流控芯片，并以三種乳腺癌細(xì)胞系為模型細(xì)胞，對(duì)該芯片的基本功能進(jìn)行驗(yàn)證，并在MDA-MB-231細(xì)胞中進(jìn)行了研究，來(lái)驗(yàn)證芯片功能的可行性和有效性，為以后使用該芯片進(jìn)行腫瘤轉(zhuǎn)移機(jī)制研究的科學(xué)家提供一個(gè)范例。

圖文解析

圖 1 SCM-chip的結(jié)構(gòu)表征、操作流程和功能表征。 (a) SCM-chip的實(shí)物圖。 (b)遷移通道和單細(xì)胞捕獲單元的 SEM 圖像。 (c) SCM-chip實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞捕獲、遷移研究和單細(xì)胞回收的操作過(guò)程示意圖。 (d) SCM-chip實(shí)現(xiàn)MDA-MB-231細(xì)胞的單細(xì)胞捕獲(I)、單細(xì)胞遷移研究(II)和基于遷移快慢的單細(xì)胞回收(III)。（圖片來(lái)自J. L. Zhuang, et al., Adv. Sci., 2018, 1801158）。

我們通過(guò)在芯片上設(shè)計(jì)相互獨(dú)立的單細(xì)胞捕獲單元（微型單鉤結(jié)構(gòu)）和細(xì)胞回收裝置（直線形微通道結(jié)構(gòu)），不僅實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞的捕獲功能，使每一個(gè)單細(xì)胞整齊地置于同一水平的“起跑線”上，并且使每一個(gè)細(xì)胞獨(dú)享不同的遷移通道，使細(xì)胞個(gè)體之間互相獨(dú)立互不干擾地進(jìn)行單方向遷移運(yùn)動(dòng)，結(jié)合顯微鏡技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)軌跡并計(jì)算出運(yùn)動(dòng)距離，最終可以根據(jù)細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)情況，通過(guò)胰酶消化和移液器操作實(shí)現(xiàn)特定遷移能力細(xì)胞群的回收。

圖 2 低遷移能力的乳腺癌細(xì)胞呈現(xiàn)MCPIP1高表達(dá)。MCF-7、MDA-MB-231和SUM-159的18h的單細(xì)胞遷移距離(a)和遷移能力分群比例(b)。 (c) MDA-MB-231細(xì)胞中遷移能力快和慢的細(xì)胞分群的基因熱圖。MCF-7、MDA-MB-231和SUM-159 的MCPIP1的mRNA表達(dá)(d) 和蛋白表達(dá) (e)。（圖片來(lái)自J. L. Zhuang, et al., Adv. Sci., 2018, 1801158）。

我們通過(guò)SCM-chip觀察到在不同轉(zhuǎn)移惡性的乳腺癌細(xì)胞系（MCF-7、MDA-MB-231和SUM-159）中呈現(xiàn)不同的單細(xì)胞遷移能力，且同一種細(xì)胞系里不同細(xì)胞的遷移能力也具有明顯的異質(zhì)性。我們利用SCM-chip以細(xì)胞運(yùn)動(dòng)能力快慢為標(biāo)準(zhǔn)從MDA-MB-231中分選出兩種不同的細(xì)胞分群，并進(jìn)行了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，發(fā)現(xiàn)了單核細(xì)胞趨化蛋白誘導(dǎo)蛋白（MCPIP1）的表達(dá)在這兩種細(xì)胞分群上存在明顯差異，進(jìn)一步在在mRNA表達(dá)和蛋白表達(dá)上發(fā)現(xiàn)在這三種乳腺癌細(xì)胞系中同樣存在著MCPIP1的表達(dá)差異，結(jié)果提示我們MCPIP1可能與乳腺癌細(xì)胞的遷移能力相關(guān)。

圖 3 MCPIP1抑制單細(xì)胞遷移并且抑制TGF-beta通路。MDA-MB-231/Vector和MDA-MB-231/MCPIP1的MCPIP1的mRNA表達(dá)(a) 、蛋白表達(dá) (b) 、單細(xì)胞遷移距離(c)、遷移能力分群比例(d)和差異基因的火山圖(紅色為上調(diào)基因，綠色為下調(diào)基因)。(f)差異基因GO富集柱狀圖。 (g) MCPIP1過(guò)表達(dá)前后的與細(xì)胞黏附和運(yùn)動(dòng)能力、細(xì)胞物質(zhì)重構(gòu)和TGF-beta通路相關(guān)的基因熱圖。（圖片來(lái)自J. L. Zhuang, et al., Adv. Sci., 2018, 1801158）。

我們進(jìn)一步研究外源性過(guò)表達(dá)MCPIP1對(duì)細(xì)胞遷移能力的影響，發(fā)現(xiàn)MCPIP1的確對(duì)細(xì)胞的遷移能力有調(diào)控作用，進(jìn)一步的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果發(fā)現(xiàn)該機(jī)制與TGF-beta通路相關(guān)。

結(jié)論與展望

我們首次設(shè)計(jì)了一種新型微流控芯片，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞捕獲、遷移、回收和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序等功能，該芯片的獨(dú)特設(shè)計(jì)使單細(xì)胞均相互獨(dú)立、互不干擾，且能夠基于細(xì)胞的遷移能力來(lái)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行靶向分選。我們利用該裝置，在MDA-MB-231發(fā)現(xiàn)有兩組不同遷移能力的細(xì)胞分群，并對(duì)這兩種細(xì)胞群進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)MCPIP1與遷移速度差異密切相關(guān)。后續(xù)研究進(jìn)一步確定增強(qiáng)MCPIP1表達(dá)能有效地降低腫瘤細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)能力，且能夠有效地抑制腫瘤轉(zhuǎn)移惡性，并提示TGF-beta通路可能參與其中。該結(jié)果有力地證明了該系統(tǒng)的可行性，有望成為一個(gè)研究腫瘤轉(zhuǎn)移新機(jī)制和新藥開(kāi)發(fā)的新工具。

原文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201801158

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